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CN107245601A - 耐磨损性优越的烧结合金 - Google Patents

耐磨损性优越的烧结合金 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种比以往耐磨损性优越的新颖的烧结轴承。其具有使其平均粒径10～100μm的Ni‑P合金粒子以1～20质量％分散在Cu相烧结合金质地中、Fe‑Cu系烧结合金质地中或者Cu‑Ni系烧结合金质地中的结构，且所述Ni‑P合金粒子来自于1～12质量％的P以及剩余部分由Ni和不可避免的杂质构成的原料粉末。所述Cu相烧结合金质地，含有40质量％以上的Cu。Fe‑Cu系烧结合金质地含有50质量％以下的Fe。Cu‑Ni系烧结合金质地含有20～40质量％的Ni和0.1～1.0质量％的P，或者10～25质量％的Ni和10～25质量％的Zn以及0.1～1.0质量％的P。

Description

耐磨损性优越的烧结合金
本申请是针对申请日为2013年2月21日、申请号为201380004679.5、发明名称为“耐磨损性优越的烧结合金”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及一种被使用在烧结轴承的耐磨损性优越的烧结合金。
背景技术
作为单一的可与肃静性相媲美的经济性优越的轴承，自以往多被使用在机动车和家电等的马达上。但是，随着近年来的马达的小型化和高性能化，则被要求具有比以往的烧结轴承要高的耐磨损性和耐久性，这在电动机动车用马达中的要求尤为显著。
专利文献1：日本特开平05-195117号公报
至今为止，为了提高烧结轴承的耐久性，虽然对合金组成、质地的硬化以及与固体润滑剂的组合等进行了各种研究，但其效果尚不能说为充分。
例如，在专利文献1所公开的Cu相烧结合金，通过将与质地粘着性佳的Ni系硬质粒子和固体润滑剂的MoS2添加在通过亚稳态分解所发生硬化的组成的Cu-Ni-Sn相合金中，进而赋予耐磨损性和耐烧上彩花性。但是，由于在该Cu相烧结合金的制造中使用高价的Ni相硬质粒子，因此具有所说的不能廉价地制造的成本上的问题。另外，被使用在该Cu相烧结合金的Ni相硬质粒子由于含有Cu，进而导致在烧结中，尤其是在批量生产性优越的连续作业炉的条件下的烧结中其与质地的粘着性未必充分，从而在制造上具有得不到稳定且耐磨损性和耐烧上彩花性优越的产品的问题。
发明内容
因此，本发明的目的在于，提供比以往耐磨损性优越的新颖的烧结轴承。
在本发明中觉察到：本发明者作为滑动材料，着眼于耐磨损性高的Ni-P合金。而且，精心研究的结果发现，通过将Ni-P合金粉末添加且混合在烧结合金的原料粉末中，且使其Ni-P合金粉末分散在原料粉末中，并在将该混合粉末生坯成型后，并在Ni-P合金的熔点附近以下的温度进行烧结，进而能够使其Ni-P合金粒子分散在烧结合金中。另外，还发现，通过最优化烧结条件且适度地使其反应烧结合金中的Cu成分或Ni成分和Ni-P合金粒子的表面，能够提高Ni-P合金粒子和烧结合金质地的粘着性。进一步，还发现，通过将来自1～12质量％的P以及剩余部分由Ni和不可避免的杂质构成的原料粉末的平均粒径10～100μm的Ni-P合金粒子使其1～20质量％分散在烧结合金的质地中，进而提高其耐磨损性。
即，本发明的Cu相烧结合金，其具有使其平均粒径10～100μm的Ni-P合金粒子以1～20质量％分散在含有40质量％以上的Cu、且选择性含有0.2～8质量％的固体润滑剂的Cu相烧结合金质地中的结构，且所述Ni-P合金粒子，来自于1～12质量％的P以及剩余部分由Ni和不可避免的杂质构成的原料粉末。
本发明的Fe-Cu系烧结合金，其具有使其平均粒径10～100μm的Ni-P合金粒子以1～20质量％分散在含有50质量％以下的Fe、且选择性地含有0.2～8质量％的固体润滑剂的Fe-Cu系烧结合金质地中的结构，且所述Ni-P合金粒子，来自于1～12质量％的P以及剩余部分由Ni和不可避免的杂质构成的原料粉末。
本发明的Cu-Ni系烧结合金，其具有使其平均粒径10～100μm的Ni-P合金粒子以1～20质量％分散在含有20～40质量％的Ni和0.1～1.0质量％的P、且选择性地含有0.2～8质量％的固体润滑剂、并且剩余部分为Cu和不可避免的杂质的Cu-Ni系烧结合金质地中、或者含有10～25质量％的Ni和10～25质量％的Zn、以及0.1～1.0质量％的P，且选择性地含有0.2～8质量％的固体润滑剂、并且剩余部分为Cu和不可避免的杂质的Cu-Ni系烧结合金质地中的结构，且所述Ni-P合金粒子，来自于1～12质量％的P以及剩余部分由Ni和不可避免的杂质构成的原料粉末。
若依据本发明的Cu相烧结合金、Fe-Cu系烧结合金以及Cu-Ni系烧结合金，则具有使其平均粒径10～100μm的Ni-P合金粒子以1～20质量％分散在烧结合金的质地中的结构，且所述Ni-P合金粒子，通过来自1～12质量％的P以及剩余部分由Ni和不可避免的杂质构成的原料粉末，进而其耐磨损性变得优越。
具体实施方式
本发明的Cu相烧结合金，具有使其平均粒径10～100μm的Ni-P合金粒子以1～20质量％分散在含有40质量％以上的Cu、且选择性的含有0.2～8质量％的固体润滑剂的Cu相烧结合金质地中的结构，且所述Ni-P合金粒子，来自于1～12质量％的P以及剩余部分由Ni和不可避免的杂质构成的原料粉末。
所述Cu相烧结合金质地，可含有5～15质量％的Sn，剩余部分为Cu和不可避免的杂质；可含有5～15质量％的Sn和0.1～1.0质量％的P，剩余部分为Cu和不可避免的杂质；也可含有3～13质量％的Sn和2～12质量％的Zn，剩余部分为Cu和不可避免的杂质；还可含有1～15质量％的Sn和8～30质量％的Fe，剩余部分为Cu和不可避免的杂质；或者，也可含有1～15质量％的Sn和8～30质量％的Fe以及0.1～1.0质量％的P，剩余部分为Cu和不可避免的杂质。
所述固体润滑剂可至少为石墨、二硫化钼、氮化硼、氟化钙中的一种。
本发明的Fe-Cu系烧结合金，具有使其平均粒径10～100μm的Ni-P合金粒子以1～20质量％分散在含有50质量％以下的Fe、且选择性地含有0.2～8质量％的固体润滑剂的Fe-Cu系烧结合金质地中的结构，且所述Ni-P合金粒子，来自于1～12质量％的P以及剩余部分由Ni和不可避免的杂质构成的原料粉末。
所述Fe-Cu系烧结合金质地，可含有0.5～5质量％的Sn，剩余部分为Cu和不可避免的杂质；可含有0.5～5质量％的Sn和0.1～1.0质量％的P，剩余部分为Cu和不可避免的杂质；也可含有0.5～5质量％的Sn和0.5～5质量％的Zn，剩余部分为Cu和不可避免的杂质；或者，也可含有0.5～5质量％的Sn和0.5～5质量％的Zn以及0.1～1.0质量％的P，剩余部分为Cu和不可避免的杂质。
所述固体润滑剂可至少为石墨、二硫化钼、氮化硼、氟化钙中的一种。
本发明的Cu-Ni系烧结合金，具有使其平均粒径10～100μm的Ni-P合金以粒子以1～20质量％分散在，含有20～40质量％的Ni和0.1～1.0质量％的P，以及选择性地含有0.2～8质量％的固体润滑剂，剩余部分为Cu和不可避免的杂质的Cu-Ni系烧结合金质地中；或者含有10～25质量％的Ni和10～25质量％的Zn，以及0.1～1.0质量％的P，且选择性地含有0.2～8质量％的固体润滑剂，剩余部分为Cu和不可避免的杂质的Cu-Ni系烧结合金质地中的结构，且所述Ni-P合金粒子，来自于1～12质量％的P以及剩余部分由Ni和不可避免的杂质构成的原料粉末。
所述固体润滑剂可至少为石墨、二硫化钼、氮化硼、氟化钙中的一种。
本发明的Cu相烧结合金、Fe-Cu系烧结合金以及Cu-Ni系烧结合金，通过使其Ni-P合金粒子分散在该金属结构内，进而提高其耐磨损性。在此，对其Ni-P合金粒子进行详细说明。
(1)Ni-P合金粒子成分的P含有量：以质量％为1～12％
Ni-P合金粒子其P的成分量越接近Ni3P相的组成(15％P)其硬度越高，且通过使其分散在烧结合金中，进而有助于烧结轴承的耐磨损性的提高。但是，所述Ni-P合金粒子具有，P成分量越接近于Ni3P相的组成(15％P)越变脆，而一旦减少P的成分量则硬度降低的性质。硬且脆的Ni-P合金粒子通过与偶轴的滑动容易从烧结合金脱落，则磨损相反加大。一方面，若P的成分量少，则Ni-P合金粒子其硬度降低，即使使其分散在烧结合金中，其提高耐磨损性的效果也小，因此不被优选。所以，将Ni-P合金粒子的P含有量定为1～12％。
(2)Ni-P合金粒子的粒径：以平均粒径为10～100μm
被分散在烧结合金的质地的Ni-P合金粒子，为了兼容对其硬度和其对于质地的粘着性，则需要调整Ni-P合金粉末的粒度。若其平均粒径小于10μm，则难以控制以烧结引起的在Ni-P合金粒子和烧结合金质地之间的反应，进而Ni-P合金粒子中的P扩散至烧结合金中的质地，导致Ni-P合金粒子的硬度和耐磨损性降低，因此不被优选。另外，若Ni-P合金粒子系的平均粒径在100μm以上，则存在于轴承内径表面的粒子数相对性地变少，且耐磨损性降低，因此不被优选。所以，将Ni-P合金粒子的粒径定为以平均粒径为10～100μm。
另外，在此所说的平均粒径，为以激光衍射式粒度分布测定仪所测定，且以体积平均粒径(Mv)所表示的粒径。
(3)Ni-P合金粒子成分的添加量：以质量％为1～20％
虽然通过将Ni-P合金粒子分散在烧结合金质地中，其具有提高耐磨损性的效果，但由于其量若少于1％则耐磨损性的效果少，另外，即使超过20％再添加Ni-P合金粒子成分也看不到提高耐磨损性的效果，相反，还会加大原料成本，因此不被优选。所以，将Ni-P合金粒子的添加量定为以质量％为1～20％。
(4)固体润滑剂：在使其含有的情况下，以质量％为0.2～8.0％
固体润滑剂，对轴承赋予优越的润滑性，且有助于轴承的耐磨损性的提高。作为固体润滑剂，至少含有石墨、二硫化钼、氮化硼、氟化钙中的一种以上。
虽可按照需要含有固体润滑剂，但在使其含有固体润滑剂的情况下，若固体润滑剂的含有量少于0.2％，则得不到提高耐磨损性的效果，相反，若其含有量超过8％则强度显著降低，所以不被优选。
本发明的Cu相烧结合金、Fe-Cu系烧结合金以及Cu-Ni系烧结合金，以如下所述的方式所得到。即，相对于已含有固体润滑剂的烧结合金的原料粉末的全体，以1～20质量％的比例，添加并混合由1～12质量％的P以及剩余部分为Ni和不可避免的杂质组成的平均粒径为10～100μm的Ni-P合金粉末。接着，对于其混合粉末进行生坯成型，进而通过在Ni-P合金熔点附近以下的温度进行烧结得到本发明的Cu相烧结合金、Fe-Cu系烧结合金以及Cu-Ni系烧结合金。在此，例如Ni-11％P其熔点为880℃，在烧结时若为15分钟左右的短时间，则即使多少高于熔点其Ni-P粒子也不全部熔融，而作为粒子残存在结构内。因此，烧结温度其优选虽定为在Ni-P合金的熔点以下，但不需要严密地定在Ni-P合金的熔点以下。若为短时间，也可多少高于Ni-P合金的熔点。再有，Ni-P的熔点其11％P虽为共融点(880℃)，但通过变动P浓度，其熔点向高的方面移动。
这种方式所得到的烧结合金，成为来自上述的Ni-P合金粉末的Ni-P合金粒子已分散在烧结合金中的烧结合金。另外，通过使烧结条件最优化，进而使烧结合金中的Cu成分或Ni成分和Ni-P合金粒子的表面产生适度的反应，从而能够提高Ni-P合金粒子和烧结合金质地的粘着性。
以下，对本发明的Cu相烧结合金、Fe-Cu系烧结合金以及Cu-Ni系烧结合金的具体的实施例进行说明。另外，本发明不限定于以下的实施例，也可各种变形实施。
实施例1
(1)Cu相烧结合金、Fe-Cu系烧结合金以及Cu-Ni系烧结合金的制作
作为原料粉末，准备了平均粒径为35μm的Ni-11％P合金粉末、电解Cu粉末、Sn粉末、Cu-Sn粉末、Cu-P粉末、Cu-Zn粉末、Fe粉末、Cu-Ni粉末以及石墨粉末等的固体润滑剂。然后，将这些原料粉末，以其Cu相烧结合金按表1所示、Fe-Cu系烧结合金按表2所示、以及Cu-Ni系烧结合金按表3所示的成分组成的方式进行配合，并再加入0.5％的硬脂酸锌，且用V型混合机混合20分钟后，在200～700MPa的范围内的所定的压力下加压成型进而制作成环状的生坯体。在吸热型气体(吸热式气体)环境中，Cu相烧结合金以670℃～800℃的范围内的所定温度、Fe-Cu系烧结合金以750℃～920℃的范围内的所定温度、Cu-Ni系烧结合金以800℃～940℃的范围内的所定温度对该生坯体进行烧结，之后进行规格调整，进而得到Cu相烧结合金、Fe-Cu系烧结合金以及Cu-Ni系烧结合金，所述吸热型气体通过将天然气体和空气混合之后透过已被加热的催化剂从而产生分解变成所得到。然后，将润滑油浸透在这些烧结合金中。
通过以上工序，制作出了：具有全部为外径18mm×内径8mm×高度4mm规格的环状，并由按表1～3所示的组合成分的Cu相烧结合金、Fe-Cu系烧结合金以及Cu-Ni系烧结合金构成的含油轴承。
再有，在表1～表3中，本发明的范围内的烧结合金表示为“本发明例”，本发明的范围外的烧结合金表示为“比较例”。
[表1]
Cu相烧结合金
[表2]
Fe-Cu系烧结合金
[表3]
Cu-Ni系烧结合金
(2)耐磨损试验
对已所得到的上述环状的Cu相烧结合金、Fe-Cu系烧结合金以及Cu-Ni系烧结合金(以下，称之为环状轴承。)进行了耐磨损试验。将S45C的轴棒插入在各个环状轴承中，且从环状轴承的外侧向环状轴承的半径方向(相对轴的轴方向的直角方向)一边施加接点压力1.5MPa的负荷,一边以100m/分的速度转动200小时。其后，测定环状轴承的滑动表面的最大磨损深度，且对耐磨损性进行了评价。
其结果表示在表1～表3。
在Cu相烧结合金的本发明例中的环状轴承的最大磨损深度为0.015mm以下、在Fe-Cu系烧结合金的本发明例中的环状轴承的最大磨损深度为0.008mm以下、以及在Cu-Ni系烧结合金的本发明例中的环状轴承的最大磨损深度为0.012mm以下，即，通过添加了Ni-P合金粒子，被确认为提高了各烧结合金的耐磨损性。另外，发现了以下倾向，即已添加了固体润滑剂的环状轴承比未添加固体润滑剂的环状轴承其耐磨损性高。
另一方面，在比较例中的环状轴承的最大磨损深度，其Cu相烧结合金为0.020～0.048mm、Fe-Cu系烧结合金为0.015～0.030mm、Cu-Ni系烧结合金为0.018～0.037mm，且与是否添加固体润滑剂无关，比较例与本发明例相比，其耐磨损性大幅度降低。

Claims (10)

1.一种Cu相烧结合金，其特征在于，
其具有使其平均粒径10～100μm的Ni-P合金粒子以1～20质量％分散在含有40质量％以上的Cu、且选择性地含有0.2～8质量％的固体润滑剂的Cu相烧结合金质地中的结构，并且所述Ni-P合金粒子，来自于1～12质量％的P以及剩余部分由Ni和不可避免的杂质构成的原料粉末。
2.如权利要求1所述的Cu相烧结合金，其特征在于，
所述Cu相烧结合金质地含有5～15质量％的Sn，剩余部分为Cu和不可避免的杂质。
3.如权利要求1所述的Cu相烧结合金，其特征在于，
所述Cu相烧结合金质地含有5～15质量％的Sn和0.1～1.0质量％的P，剩余部分为Cu和不可避免的杂质。
4.如权利要求1所述的Cu相烧结合金，其特征在于，
所述Cu相烧结合金质地含有3～13质量％的Sn和2～12质量％的Zn，剩余部分为Cu和不可避免的杂质。
5.如权利要求1所述的Cu相烧结合金，其特征在于，
所述Cu相烧结合金质地含有1～15质量％的Sn和8～30质量％的Fe，剩余部分为Cu和不可避免的杂质。
6.如权利要求1所述的Cu相烧结合金，其特征在于，
所述Cu相烧结合金质地含有1～15质量％的Sn和8～30质量％的Fe以及0.1～1.0质量％的P，剩余部分为Cu和不可避免的杂质。
7.如权利要求1～6的任意一项所述的Cu相烧结合金，其特征在于，
所述固体润滑剂至少为石墨、二硫化钼、氮化硼、氟化钙中的一种。
8.一种Cu-Ni系烧结合金，其特征在于，
其具有使其平均粒径10～100μm的Ni-P合金粒子以1～20质量％分散在含有20～40质量％的Ni和0.1～1.0质量％的P、且选择性地含有0.2～8质量％的固体润滑剂、并且剩余部分为Cu和不可避免的杂质的Cu-Ni系烧结合金质地中的结构，且所述Ni-P合金粒子，来自于1～12质量％的P以及剩余部分由Ni和不可避免的杂质构成的原料粉末。
9.一种Cu-Ni系烧结合金，其特征在于，
其具有使其平均粒径10～100μm的Ni-P合金粒子以1～20质量％分散在含有10～25质量％的Ni和10～25质量％的Zn以及0.1～1.0质量％的P、且选择性地含有0.2～8质量％的固体润滑剂、并且剩余部分为Cu和不可避免的杂质的Cu-Ni系烧结合金质地中的结构，且所述Ni-P合金粒子，来自于1～12质量％的P以及剩余部分由Ni和不可避免的杂质构成的原料粉末。
10.如权利要求8或9所述的Cu-Ni系烧结合金，其特征在于，
所述固体润滑剂至少为石墨、二硫化钼、氮化硼、氟化钙中的一种。
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